基于模块化多电平矿用中高压变频器仿真研究

李大伟，杨京东，吴康

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

1 概况

随着经济的快速发展，能源消耗速率不断上升，能源矛盾日益增长，因此为减少能源消耗以及提高能源利用率，急需采取措施节能减排。虽然现在已经出现了许多新能源，但我国的能源消耗主要是煤，且随着煤矿开采深度的加深以及开采量增大，井下许多大功率设备都被加入到开采工作中，耗能加大，而高压变频器能够对大功率设备的电机进行调速控制，起到节能和增加电机寿命的作用。高压变频器的技术核心是多电平电力电子拓扑。目前普遍采用的几种多电平拓扑结构，主要包括二极管钳位型、飞跨电容型、H 桥级联型，但其能够承受的电压与功率不足以支持大功率设备正常工作[1]。

随着MMC 在柔性型直流输电领域获得快速发展，人们也开始关注将其拓展到高压变频器中。MMC 多电平换流器具有公共直流母线端，其结构能用于整流也能用于逆变，将整流和逆变结构以背靠背的方式结合起来，可构成一个能够实现四象限运行的高压变频器，且无需移相变压器提供多个独立直流电源，系统也能够实现双向流动，通过控制能够为电机提供高质量电源，同时提高电机的动态性能[2-3]。

本文基于矿用中高压变频系统采用背靠背结构，因此以逆变侧进行研究分析，简述矿用中高压变频系统拓扑结构、MMC 的拓扑结构及工作原理，调制技术及子模块电容电压平衡技术，并通过Matlab-Simulink 搭建仿真进行验证。

2 MMC 矿用变频器的拓扑结构

图1 为背靠背MMC 矿用变频器结构。MMC 结构由全控器件组成，即可以实现电机正反转切换的能量双向流动，还能够快速启动与制动。MMC1 实现整流作用，MMC2 实现逆变变频作用，与级联H桥相比，MMC 结构无需移相变压器，利用子模块级联的形式就可以实现高压侧的多电平输出，使用PWM 控制整流端输出稳定的直流电，通过直流母线输出给逆变端，最后由逆变端输出三相多电平交流电带动电机实现变频调速。不仅简化了电路结构，还特别适合一些高压大功率的工作场合。MMC 结构的中高压变频器消除了传统中高压变压器存在的弊端，对井下中高压大功率设备的变频调速起到了极为重要的作用。

图1 MMC矿用变频器结构Fig.1 MMC mine inverter structure

3 MMC 的拓扑结构及工作原理

MMC 的拓扑结构如图2 所示，整个结构由3个相单元组成，共有6 个桥臂，每个相单元分为上下2 个桥臂，每个桥臂由多个结构相同的子模块（SM） 级联而成，上、下桥臂通过2 个相同的电抗器L 相连。电抗器L 作为桥臂子模块与直流母线之间的缓冲，能够抑制各相之间电容电压不平衡导致的环流以及产生故障时的冲击电流，提高系统的可靠性[5-6]。

图2 MMC拓扑结构Fig.2 MMC topology structure

子模块根据上下桥臂功率器件IGBT 的开关状态和电流方向，可以组合为6 种工作模式，共有3种工作状态。系统启动初向子模块电容器充电或工作出现故障时，子模块处于闭锁状态；系统正常运行时，子模块处于投入或切除状态。子模块的工作状态和工作模式见表1。

表1 子模块工作状态和工作模式Table 1 Sub-module working state and working mode

4 MMC 的调制技术与平衡技术

4.1 MMC 的调制技术

MMC 的调制技术决定其输出电压谐波特性的优劣及损耗大小，是换流器高效稳定运行的关键。目前MMC 的调制技术有很多，有特定谐波消去阶梯波调制法（SHESM）、最近电平逼近调制法（NLM）、多电平SVPWWM、载波层叠调制法（PD-PWM） 与载波移相调制法(PSC-PWM)。目前应用较为广泛的调制方式为最近电平逼近调制法（NLM） 和载波移相调制法（CPS-PWM）。最近电平逼近调制原理简单且谐波水平低，但只适合电平较多的场合，电平数少时误差很大；载波移相原理CPS-PWM开关损耗小，谐波性能好，适合电平数较少的场合。针对MMC 高压变频器的电压等级要明显低于柔性直流输电的应用，桥臂中子模块较少，因此本文采用载波移相调制更具有优势。载波移相调制原理如3 所示。

从图3 可以看出，CPS-PWM 调制原理主要将多个幅值相同的三角波进行平移移相，相互错开一个相同的角度，然后再和一条正弦波进行比较，通过比较得到多组PWM调制波信号，采用调制波信号驱动子模块，从而决定出子模块的工作状态，将工作状态为投入的子模块输出电压进行叠加，以此来得到MMC 系统输出的电压波形[7]。

图3 载波移相调制原理Fig.3 Principle of carrier phase shift modulation

4.2 子模块相间环流

MMC 系统的每个单元在正常工作时，各相桥臂间的直流电压不可能保持完全一致，导致子模块电压波动，能量分配不平衡，产生相间环流。图4为MMC 三相内部环流等效电路图。为了便于分析，以A 相为例。A 相单元中的环流为icira，由等效图可知：

图4 MMC三相内部环流等效电路图Fig.4 MMC three-phase internal circulation equivalent circuit diagram

则得到A 相间环流公式为：

4.3 子模块电容电压平衡技术

模块化结构在给MMC 带来优势的基础上，也带来了各子模块间不平衡的问题，特别在大功率、高电压的应用场合下，平衡问题更为严重，因此为了维护MMC 系统的稳定运行，必须保证子模块间的电压平衡[8-10]。本文采用的调制技术为载波移相调制，通常采用独立子模块电压均分和子模块相间电压均衡相结合的方式来实现平衡子模块间电容电压的平衡控制，为了便于分析，以A 相为例。

独立子模块电压均分控制思想是保证MMC 的每个单元都能得到独立电压均分控制，使MMC 系统中每个子模块电容电压的平均值对参考值实现有效跟踪，从而达到子模块电容电压平衡的效果。控制原理如图5 所示。

图5 子模块电压均分控制原理Fig.5 Sub-module voltage sharing control principle

图5 采用了内部环流抑制的方法，UC_ref、UCav分别为子模块电容电压的参考值和平均值，通过将参考值与平均值相对比后，再将比较值通过PI 控制器输出相间环流参考值icir_ref，在与式（2） 中计算得到的环流计算值icira进行比较，通过PI 控制输出子模块电容电压的一个调节量U’。从中可知子模块平均电容电压的表达式为：

子模块相间电压均衡的控制思想是将独立子模块电压均分控制应用到MMC 各相的N 个子模块中，使得同一个子模块电容电压都达到跟踪参考值的目的。控制原理如图6 所示。图6 中UCai为A 相第i个子模块的电容电压，U''i子模块电容电压均衡控制调节量，KP为电压控制调节量的极性系数。以A 相为例，由于电容电压平衡控制是根据上、下桥臂电流方向来调节的，所以U''a的极性也是用桥臂电流iap、ian决定的，即桥臂电容充电时，KP取值为+1，相反桥臂电容放电时，KP取值为-1。当桥臂电容充电时，iap＞0，此时PI 调节器的输出为正，U''a也为正值，从而iap和U''a合成正的的功率，调制波上移；同样的，桥臂电容放电时，iap＜0，此时PI 调节器的输出为负，U''a为负值，从而iap 和U''a合成负的的功率，调制波下移，从而实现子模块电容电压调节至参考值，保持整个MMC 系统子模块电容电压的均衡。

图6 子模块相间电压均衡原理Fig.6 Sub-module phase-to-phase voltage balance principle

5 仿真分析研究

为验证中高压变频系统运行的可行性及有效性，在Matlab-Simulink 中搭建仿真模型，以MMC带感应电动机空载进行仿真研究分析。MMC 仿真参数见表2，感应电机仿真参数见表3。

表2 高压变频器系统仿真模型参数Table 2 Simulation model parameters of high voltage inverter system

表3 感应电机仿真参数Table 3 Simulation parameters of induction motor

图7～图9 分别为电机转速、定子电流和转矩波形。从图中可以看出，空载启动时，转速在产生很小的波动后很快达到稳态，在0.5 s 提速后也能速维持稳定；三相定子电流无论转速怎样变化，都能达到稳态且波形呈三相对称的正弦波形；由图9中可知，转矩在电机启动和转矩突变时有较大的波动，但很快趋于一个稳定值。综上所述，该系统在转速、电流、转矩都达到了良好的动态响应。

图7 电机转速波形Fig.7 Motor speed waveform

图8 电机三相定子电流波形Fig.8 Three-phase stator current waveform of motor

图9 电机的转矩波形Fig.9 Torque waveform of motor

矿用中高压变频系统逆变器三相输出电压局部放大图如图10 所示，输出电压波形能够很好的呈现三相对称的正弦波形，且波形波动幅度稳定。变频器A 相上桥臂子模块电容电压局部放大图如图11 所示，从仿真波形可以看出，采用平衡技术后，子模块电容电压基本一致，电容电压值在1 kV 附近波动，上下波动值不超过0.2 kV。可见MMC 控制器能够将输出电压和频率稳定在额定值，保证了高压变频器的正常运行，同时也体现出载波移相调制技术及子模块平衡技术的有效性。

图10 MMC逆变侧输出电压波形Fig.10 The output voltage waveform of MMC inverter side

图11 MMC逆变器桥臂子模块电容电压Fig.11 Capacitance voltage of MMC inverter bridge arm sub-module

6 结语

本文将MMC 结构应用于矿用中高压变频系统中，主要讲述了高压变频系统的拓扑结构，以及MMC 拓扑结构和工作原理，以MMC 逆变侧为例，结合载波移相调制技术提出了一种子模块电容电压平衡技术，并在Matlab-Simulink 搭建仿真模型，通过仿真可以看出电机的稳态运行和MMC 输出电压波形良好，表明了采用载波移相调制技术能够实现变频器稳定运行，子模块电容电压平衡技术具有良好的性能，可以实现动态调节。但在仿真过程中也发现该系统在低频时段波动大，下一步将研究改善该系统，实现该系统在全频域的正常工作。